基于高速同步485總線通信的多通道伺服控制器設計

王 恒，白玉新，張?zhí)扃?，?達，秦二衛(wèi)

(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

基于高速同步485總線通信的多通道伺服控制器設計

王 恒，白玉新，張?zhí)扃?，?達，秦二衛(wèi)

(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

文章介紹了一種四通道數(shù)字伺服控制器的系統(tǒng)設計和實現(xiàn)方案;針對研制任務中高通信波特率和多路控制的要求，設計了以XC164為主控制芯片，基于JS71175型485協(xié)議處理器的高速同步485總線通信的多通道伺服控制器，該控制器在提高了同步485通信速率的同時可以實現(xiàn)四路伺服機構的控制、伺服機構動作的鎖定及解除鎖定，具有體積小、功率大、集成度高特點;實驗結果表明，在保證通信穩(wěn)定的前提下，通信波特率可達2 Mbit/s ，總功率可達1 600 W，滿足任務要求。

485協(xié)議處理器；高速；同步485總線；多通道；控制器

0 引言

伺服機構作為伺服控制系統(tǒng)中的不可缺少的關鍵部分，是伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，伺服機構的性能直接影響伺服控制系統(tǒng)的機動性能和精度。一般根據(jù)動力源的不同，常用的伺服控制系統(tǒng)可分為氣動、液動和電動3種，與氣動和液動相比，電動具有能源需求單一，結構簡單，制造及維修方便，且易于實現(xiàn)多余度控制，可靠性高[1-2]等特點，因而在軍用和其他先進民用的產品中得到越來越廣泛的應用[3-4]。傳統(tǒng)的模擬控制器雖然發(fā)展的比較成熟了，但模擬控制器一旦設計完成，參數(shù)調整比較困難，互換匹配性比較差，因此其固有的缺點限制了模擬控制器的廣泛使用[5]。近年來，隨著高性能電機控制芯片的出現(xiàn)，為設計小體積、低功耗、高可靠性、高性能的數(shù)字控制器提供了方便，數(shù)字控制器以其靈活、可靠、運算能力強逐漸成為電機控制的主流技術。傳統(tǒng)的485總線通信基本上是異步通信，同時以高的波特率通信時，傳輸距離較短，傳輸誤碼率比較高，大大降低了通信的可靠性。為了實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的高速同步485總線通信，同時實現(xiàn)4路伺服機構的控制，設計了基于JS71175的高速同步485總線通信的多通道伺服控制器。

1 系統(tǒng)構成與工作原理

1.1 系統(tǒng)構成

如圖1所示，該系統(tǒng)主要由電源模塊、主控單元、驅動單元、隔離保護單元、通信單元、AD采集單元、4路伺服機構及伺服控制計算機組成。伺服控制計算機為電源模塊提供一級28 V電源，同時與伺服控制器間進行485通信，進行指令發(fā)送和反饋接收，伺服控制器根據(jù)伺服計算機發(fā)送的控制指令進行數(shù)據(jù)解析，從而控制各路伺服機構動作；電源模塊作為伺服控制器的電源來源，為主控單元、驅動單元、通信單元、AD采集單元和伺服機構反饋提供所需電源；通信單元實現(xiàn)伺服控制計算機與伺服控制器主控單元間的高速同步485通信，伺服計算機每間隔一定時間通過485總線向伺服控制器發(fā)送控制指令，伺服控制器根據(jù)接收的控制指令控制伺服機構動作的同時，在很小的時間間隔內向伺服控制計算機和伺服遙測系統(tǒng)反饋當前伺服控制器的參數(shù)，為伺服控制計算機發(fā)送下一次控制指令提供數(shù)據(jù)依據(jù)；主控單元用于接收伺服控制計算機指令和AD采集伺服機構位移反饋進行閉環(huán)運算，產生PWM和伺服機構方向信號，同時向伺服控制計算機及伺服機構遙測系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)；驅動單元根據(jù)主控單元的發(fā)出的PWM信號和伺服機構方向信號驅動4路伺服機構，實現(xiàn)伺服機構的快速動作；AD采集單元采集4路伺服機構的位移反饋，確定當前伺服機構所處的位置，為主控單元進行位置閉環(huán)提供數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

伺服控制計算機為伺服控制器提供28 V電源，同時提供遙測及隔離5 V電源。電源模塊將28 V電源轉換為控制器需要的5 V、2.5 V、±10 V和15 V電源，滿足伺服控制器工作所需的電源，其中伺服控制器的主控制芯片需2.5 V和5 V兩種電源；AD采集、485 V通信處理芯片和隔離保護需5 V電源；電機驅動需5 V、15 V和28 V電源，28 V電源作為伺服機構動作的功率電；±10 V為4路伺服機構中位移傳感器的工作電源。JS71175型485協(xié)議處理芯片接收伺服控制計算機發(fā)來的指令數(shù)據(jù)，此時XC164控制芯片將JS71175型485協(xié)議處理芯片接收的數(shù)據(jù)通過總線讀取，進行解析判讀，根據(jù)協(xié)議進行自檢、解鎖或者數(shù)據(jù)采集，同時將指令執(zhí)行情況反饋給JS71175型485協(xié)議處理芯片，啟動發(fā)送，此時JS71175型485協(xié)議處理芯片將反饋的指令執(zhí)行信息發(fā)送給伺服控制計算機，XC164控制芯片在將指令信息反饋給伺服控制計算機的同時，根據(jù)協(xié)議及時間要求也將指令執(zhí)行情況通過JS71175型485協(xié)議處理芯片反饋給伺服遙測系統(tǒng)，實現(xiàn)遙測。

當伺服控制器接到解鎖信號時，發(fā)出一定占空比的PWM信號解除對伺服機構位置的鎖定，此時伺服機構才可以按照伺服控制器指令動作，否則伺服機構被鎖死，無法動作，伺服機構在動作之前必須進行解鎖的主要目為防止伺服機構誤動作，損壞其它機構，伺服機構在接到解鎖信號之前，其動作部件回縮在伺服機構內部，無法動作，必須進行解鎖后才能恢復到可動作位置；當伺服控制器通過JS71175型485協(xié)議處理芯片接收到伺服控制計算機的數(shù)據(jù)采集命令時，伺服控制器根據(jù)伺服控制計算機發(fā)來的位置指令及AD采集芯片采集的伺服機構實際位置信息進行位置閉環(huán)運算，產生不同占空比的PWM及電機方向信號，無刷直流電機驅動單元根據(jù)伺服控制器主芯片發(fā)出的PWM和方向信號驅動伺服機構中電機轉動，從而實現(xiàn)對伺服機構位置的精確控制，在控制伺服機構動作的同時，完整接收到伺服控制計算機發(fā)送指令信息后必須在200 μs內開始將數(shù)據(jù)反饋給伺服控制計算機，并且在500 μs之內將數(shù)據(jù)反饋完畢，否則伺服計算機將按照伺服控制器無法響應處理；當伺服控制器接收到伺服計算機發(fā)來的自檢指令后，伺服控制器檢測供電電壓、伺服機構位置信息、通信狀態(tài)信息等參數(shù)，并判斷各參數(shù)是否正常，按照協(xié)議向伺服控制計算機反饋自檢信息。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

2 系統(tǒng)軟硬件設計及算法描述

2.1 系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 主控芯片

主控芯片選用英飛凌公司XC166系列的16位微控制器XC164CS-16F，具有128KB程序Flash，6KB片上RAM，14路模擬輸入通道，6個串行接口(2xASC，2xSSC，2xCAN)。

英飛凌的16位微控制器系列是用來滿足實時嵌入式控制應用的高性能需求，具有以下特性：五級流線型高性能16位CPU和MAC單元；高效的控制指令集；高效的功率管理；集成的片上存儲器(2KB雙口RAM，2KB高速數(shù)據(jù)SRAM，2KB的高速程序/數(shù)據(jù)SRAM，128KB的片上程序存儲器)；外部總線接口(12MB的外部尋址空間，8位或16位數(shù)據(jù)總線)；16級優(yōu)先級的中斷系統(tǒng)；8通道的外圍時間控制器；智能片上外設子系統(tǒng)(14通道模數(shù)轉換，兩個捕獲/比較單元，捕獲比較單元靈活產生PWM信號，兩個多功能通用定時器單元，兩個異步/同步串行通道)，79個具有獨立位尋址功能的IO引腳等[6]。

2.1.2 485協(xié)議處理器

485協(xié)議處理器選用我國自行研發(fā)的JS71175型協(xié)議處理器，該處理器實現(xiàn)雙總線上485協(xié)議數(shù)據(jù)同步串行通信，內嵌4Kx8Bit雙口SRAM，電路工作電壓為+5 V，兼容+5 V/+3.3 V，主時鐘工作頻率為40 MHz，工作溫度為-55～125℃。

JS71175型485協(xié)議處理器內含兩個相互獨立的半雙工發(fā)送/接收器，經過編程可獨立進行同步串行通訊，并以DMA方式與內部RAM進行數(shù)據(jù)交換。電路CPU接口和雙口RAM外端接口復用，支持SDLC同步通訊協(xié)議，有普通接收、地址識別、廣播監(jiān)聽等模式，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)具有CRC校驗，電路還具有波特率選擇、中斷屏蔽等功能，功能框圖如圖3所示[7]。

圖3 JS71175功能框圖

在使用中，JS71175的12位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線分別與主控芯片XC164的地址及數(shù)據(jù)總線相連。

2.1.3 隔離保護

伺服控制器主控制芯片XC164控制芯片根據(jù)伺服控制計算機指令以及伺服機構的位移反饋信號實時計算PWM的占空比和方向信號，并將該信號實時發(fā)送給電機驅動，從而控制伺服機構的運動。由于電機驅動功率較大，為了避免伺服機構動作干擾伺服控制器，在XC164控制芯片和電機驅動間加入隔離單元。

在XC164芯片輸出給電機驅動的PWM和方向信號上加入光耦進行隔離，避免因伺服機構動作干擾控制系統(tǒng)。

同時為了避免伺服控制計算機與伺服控制器間產生相互干擾，在伺服控制器與伺服控制計算機間增加數(shù)字隔離，選用SILICON LABS公司的SI8462芯片，該芯片具備體積小、功耗低、通信波特率高達150 Mbps，同時隔離電壓高達2.5 kV。

2.1.4 主控芯片與485協(xié)議處理器間通信

本伺服控制器選用16位XC164芯片作為主控芯片和8位的JS71175作為485協(xié)議處理器，兩者之間采用地址和數(shù)據(jù)總線進行通信。但由于兩者位寬不同，因此如果直接將數(shù)據(jù)和地址總線相連，必然導致通信出錯。

為了確保主控芯片與485協(xié)議處理芯片間總線通信正常，將485協(xié)議處理芯片的8位數(shù)據(jù)總線與主控芯片的數(shù)據(jù)總線連接，即將485協(xié)議處理芯片的數(shù)據(jù)總線D0-D7分別與主控芯片的D0-D7總線直接相連；但由于兩芯片位數(shù)不同，地址總線不能直接一一相連，采用錯位相連技術，可避免因位數(shù)不同導致的通信錯誤，即將將485協(xié)議處理芯片的12位地址總線A0-A11分別與主控芯片的A1-A12相連，即可實現(xiàn)主控芯片與485協(xié)議處理芯片間正?？偩€通信。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

伺服控制器的控制程序主要功能是通過高速同步485總線接收伺服控制計算機的指令，采集伺服機構的反饋信號，通過指令信息與反饋位置信息進行位置閉環(huán)運算，精確控制伺服機構運動至指定位置，同時將指令執(zhí)行情況反饋給伺服控制計算機及遙測系統(tǒng)?？刂瞥绦蛑饕刂浦鞒绦?、定時器中斷子程序和外部中斷子程序三部分。

2.2.1 控制主程序

控制主程序主要完成系統(tǒng)初始化、看門狗初始化、功能寄存器初始化、全局變量初始化、定時器及外部中斷初始化、JS71175型485協(xié)議處理器初始化，初始化伺服控制器的初始參數(shù)等，主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

2.2.2 定時器中斷子程序

定時器中斷子程序主要完成清除看門狗、判斷伺服控制計算機指令大小并進行限幅、采集4路伺服機構位置反饋信號并進行濾波等處理、閉環(huán)運算并根據(jù)運算結果進行PWM占空比和電機轉向設置、將伺服機構反饋信息及伺服控制計算機指令信息反饋給遙測系統(tǒng)，為了精確控制伺服機構高速動態(tài)響應，該定時器每間隔0.5 ms一次中斷進行伺服機構位置閉環(huán)運算，精確實時調整PWM占空比和方向信號，由于遙測系統(tǒng)需至少間隔2.5 s才能接收伺服控制器反饋的遙測信數(shù)據(jù)，因此在該定時器中斷中進行向遙測系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)時間間隔判斷，及時準確的將遙測數(shù)據(jù)反饋給遙測系統(tǒng)，定時器中斷子程序流程圖如圖5所示。

圖5 定時器中斷子程序流程圖

2.2.3 外部中斷子程序

外部中斷子程序主要完成清除JS71175型485協(xié)議處理器中斷信號、判斷是接收還是發(fā)送中斷、讀取協(xié)議處理器中的伺服控制計算機發(fā)送的指令、解析伺服控制計算機指令、將指令執(zhí)行情況反饋給伺服控制計算機，伺服計算機發(fā)送完整伺服控制指令后，伺服控制器必須在200 μs之內開始按照協(xié)議將數(shù)據(jù)反饋給伺服計算機，同時在500 μs之內將數(shù)據(jù)反饋完畢，否則伺服計算機將按照伺服控制器無法響應進行處理，啟用應急機制，因此為了避免在伺服控制器完好情況下因數(shù)據(jù)響應慢導致啟用應急機制問題，該軟件外部中斷優(yōu)先級在程序中為最高優(yōu)先級，在接收到伺服控制計算機發(fā)送的指令后，首先進行指令解析和數(shù)據(jù)反饋，每次數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，伺服控制器需將JS71175型485協(xié)議處理器置為等待接收狀態(tài)，以備第一時間接收伺服計算機發(fā)送的指令并進行數(shù)據(jù)反饋，外部中斷子程序流程圖如圖6所示。

圖6 外部中斷子程序流程圖

3 實驗及結果分析

選用4個伺服機構和本文設計的控制器組成一套伺服控制系統(tǒng)，每個伺服機構功率為400 W，利用地面測試儀模擬伺服控制計算機，測試儀每間隔1 ms以2Mbit/s的速度向伺服控制器發(fā)送指令，測試儀接收并記錄伺服機構控制器反饋的指令執(zhí)行情況及反饋的數(shù)據(jù)，同時測試儀接收并記錄伺服機構反饋的遙測信號。地面測試儀配置為Intel 2.6 GHz，雙核CPU，2 G內存，配備專用雙通道高速同步485板卡，利用LabWindows開發(fā)上位機測試軟件。

地面測試儀在發(fā)送伺服機構自檢和解鎖指令后，每間隔1 ms向伺服控制器發(fā)送一次數(shù)據(jù)采集指令，伺服控制器接收到完整的指令后向地面測試儀反饋數(shù)據(jù)并根據(jù)接收的指令完成閉環(huán)運算控制伺服機構動作，利用TEK示波器監(jiān)視通信情況在伺服計算機將一幀指令發(fā)送完畢后，伺服控制器在50 μs之內開始響應反饋數(shù)據(jù)，在300 μs之內完成所有數(shù)據(jù)反饋，伺服計算機接收到伺服控制器反饋數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示伺服控制器滿足伺服計算機要求在接收到指令200 μs之內開始反饋數(shù)據(jù)和在500 μs之內將數(shù)據(jù)反饋完畢的要求，滿足快速、高速485通信要求。

利用測試儀向伺服控制器發(fā)送指令，控制伺服機構實現(xiàn)0.2 Hz，15°正弦響應，如圖7所示，圖中藍色曲線為測試儀指令信息，紅色曲線為伺服控制器反饋給測試儀的伺服機構位置信息，圖中已用文字標明實驗結果如下：伺服機構正向最大擺角為14.979°，負向最大擺角為-14.953°，回環(huán)寬度為0.357°。

測試儀發(fā)送指令，伺服控制器控制伺服機構實現(xiàn)0.2 Hz，10.5°階躍響應，如圖8所示，實驗結果如下：伺服機構正向最大擺角為10.986°，負向最大擺角為-11.195°，最大線速度為486.782°/s。

圖7 0.2 Hz 15°正弦響應曲線

圖8 0.2 Hz 10.5°階躍響應曲線

任務要求伺服機構0.2 Hz，15°正弦響應擺角偏差為±0.2°；0.2 Hz，10.5°階躍響應擺角偏差為±0.8°，伺服機構最大線速度不小于400°/s，試驗結果表明：伺服控制器控制精度均在要求范圍之內，滿足要求。

4 結論

本文結合無刷直流電機控制系統(tǒng)的具體應用和實際控制要求，對基于英飛凌XC164和JS71175型485協(xié)議處理器的硬件進行了設計和開發(fā)，編寫了嵌入式控制軟件和測試儀軟件。試驗結果表明：基于JS71175高速同步485總線通信的多通道伺服控制器在在保證通信穩(wěn)定的前提下，通信波特率可達2 Mbit/s，大大提高了基于485通信協(xié)議的通信速率，同時具有體積小、功率大、集成度高、可實現(xiàn)多路控制的特點。

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[7] JS71175型485協(xié)議處理器手冊[Z].

Multi-channel Servo Controller Design Base on High-speed Synchronization 485 Bus Communication

Wang Heng，Bai Yuxin，Zhang Tianqi，Zhang Da，Qin Erwei

(Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing 100076,China)

A four-channel servo controller designing and realizing scheme for guided missiles is provided in this paper. According to high communication rate and multi-channel servo control requirements to the research task, the servo controller is designed base on 485 protocol processor of JS71175 and XC164 as main control chip, this controller improve synchronization 485 bus communication rate, meanwhile, realize for-channel servo mechanism control and lock or unlock servo mechanism action, have the characteristics of small volume, high power and high integration. The tests indicate that, under the premise of stable communication, communication rate up to 2Mbit/s, total power up to 1 600 w, and satisfies the task needs.

485 protocol processor; high-speed; Synchronization 485 Bus; multi-channel; controller

2016-12-19；

2017-01-16。

王 恒(1985-)，男，碩士研究生，工程師，主要從事伺服控制方向的研究。

1671-4598(2017)03-0093-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.026

TP3

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